CN105352859A - 一种用于检测流体在线多参数性状结构的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于检测流体在线多参数性状结构的方法，是基于多普勒效应的多参数在线测量，在工业流体系统内使多参数同时检测显示，由换能器、量子射频器、接收机、信号处理、显示控制计算机合成的系统测量方案组成，采用换能器阵列内存设计与二组发射机、接收机链接，通过信号处理器将流体参数显示在控制计算机上，换能器反应由二位四通阵列信号排序，通过接收机接收后输入信号处理器，由信号处理器将流体参数通过发射机返回与换能器阵列内存中数据对比，将对比结果由另一组接收机将信号输入信号处理器，二组发射机、接收机之间的信号可智能互换。

Description

一种用于检测流体在线多参数性状结构的方法

技术领域

本发明是在回顾声纳技术发展简史的基础上，研发的一种用于检测流体在线多参数性状结构的方法，属于声纳技术检测创新领域。

背景技术

近年来,随着科学技术的高速发展,人类对覆盖地球总面积70%的水域的认识逐渐深化，水域因其经济上的巨大潜力和战略上的重要地位越来越被人们所重视.，美国加州海洋研究中心的罗伯逊博士说：“水域的开发对人类带来的利益要比那些耗资庞大的太空计划实惠得多”1998年曾被定为“国际海洋年”，有人说：21世纪是海洋的世纪，众所周知电磁波是空气中传播信息最重要的载体，例如,通信、广播、电视、雷达等都是利用电磁波，但是在水下它几乎没有用武之地，这是因为水是一种导电介质，在向水域空间辐射的电磁波会被水介质本身所屏蔽，它的绝大部分能量很快地以涡流形式损耗掉了，因而电磁波在水中的传播受到严重限制，至于光波本质上属于更高频率的电磁波，被水吸收损失的能量更为严重，因此它们在水中都不能有效地传递信息，实验证实在人们所熟知的各种辐射信号中，以声波在水中的传播性能为最佳，正因为如此，人们利用声波在水下可以相对容易地传播及其在不同介质中传播的性质不同，研制出了多种水下测量仪器、侦察工具和武器装备，即各种“声纳”设备，声纳技术不仅在水下军事通信、导航和反潜作战中享有非常重要的地位，而且在和平时期已经成为人类认识、开发和利用水的重要手段，例如一种工业流体系统内，基于多普勒效应的多参数在线测量方法，通过水声纳达到在封闭容器内物料的在线成像。

对比文件：申请(专利)号CN201410209162.6一种水下声学视频成像装置；申请(专利)号CN201410167065.5一种被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法；申请(专利)号CN201410166921.5一种开放式阵列信号的仿真方法；分析了上述发明内容感觉其还是缺少新颖性介绍及不足，别说本行业的普通技术员按照公开内容能够理解，根本不能够根据公开内容直接地、毫无疑义地确定的内容来复制，而本发明将在回顾声纳技术发展简史的基础上创新明确、清晰地介绍“一种用于检测流体在线多参数性状结构的方法”，同样是通过水声纳达到在封闭容器内物料的在线成像。

发明内容

一种用于检测流体在线多参数性状结构的方法，基于多普勒效应的多参数在线测量，在工业流体系统内使多参数同时检测显示，由换能器、量子射频器、接收机、信号处理、显示控制计算机合成的系统测量方案组成，采用换能器阵列内存设计与二组发射机、接收机链接，通过信号处理器将流体参数显示在控制计算机上，换能器反应由二位四通阵列信号排序，通过接收机接收后输入信号处理器，由信号处理器将流体参数通过发射机返回与换能器阵列内存中数据对比，将对比结果由另一组接收机将信号输入信号处理器，二组发射机、接收机之间的信号可智能互换。

水下声波的应用构成了“声纳”这门工程科学,而以各种形式利用水声的系统叫做“声纳系统”或“声纳技术这个名词是在第二次世界大战后期仿照当时颇有魅力的“雷达无线电探测和测距系统”后被人们广泛采用，声纳系统一般是由发射机、换能器(水听器)、接收机、显示器和控制器等几个部件组成，发射机用于产生需要的电信号，以便激励换能器将电信号转变为声信号向水中发射，水声信号若遇到潜艇、水雷和鱼群等目标会被反射，然后以声纳回波的形式返回到换能器(水听器)，水听器接收后又将其转变为电信号，电信号经接收机放大和各种处理，再将处理结果反馈至控制器或显示系统，最后根据这些处理的信息可测出目标的位置判断出目标的性质等，从而完成声纳的使命，这是常见的“主动声纳”工作原理.还有“被动声纳”和“主、被动综合声纳”，“被动声纳”是利用目标辐射的声波。

这种综合声纳系统在水下声学通信信道两端都有发射换能器和接收换能器，这些声纳的水上部分都是以电子计算机为中心的数据采集、处理、图像显示等设备，水下部分则是水声换能器(或基阵)，水声换能器是声纳系统的重要部件，根据工作状态的不同,可分为两类:一类称为发射换能器,它将电能转换为机械能再转换为声能，另一类称为接收换能器的将声能转换为机械能再转换为电能，实际应用中的水声换能器兼有发射和接收两种功能。

现代声纳技术对水声发射换能器的要求是：低频、大功率、高效率以及能在深海中工作等特性，根据水声学的研究人们发现用低频声波传递信号，对于远距离目标的定位和检测有着明显的优越性，低频声波在海水中传播时被海水吸收的数值比高频声波要低，故能比高频声波传播更远的距离，对增大探测距离非常有益。

一种用于检测流体在线多参数性状结构的方法，基于多普勒效应的多参数在线测量，在工业流体系统内使多参数同时检测显示，由换能器、量子射频器、接收机、信号处理、显示控制计算机合成的系统测量方案组成，采用换能器阵列内存设计与二组发射机、接收机链接，通过信号处理器将流体参数显示在控制计算机上，换能器反应由二位四通阵列信号排序，通过接收机接收后输入信号处理器，由信号处理器将流体参数通过发射机返回与换能器阵列内存中数据对比，将对比结果由另一组接收机将信号输入信号处理器，二组发射机、接收机之间的信号可智能互换，主要应用在工业容器、反应器、搅拌器等极近距离的非均相性状的检测控制，能够多参数同时检测显示--包括速度、温度、非均相浓度、颗粒性状等新颖的算法和通讯方式，同样能够通过水声纳达到在封闭容器内物料的在线成像。

颗粒的粒径及浓度

液体中的固体颗粒将对声波产生散射，散射强度与固体颗粒的大小、浓度有非常密切的关系，换能器基元的电路设计成具有较大动态范围，可以测量散射强度。通过对不同粒径的固体颗粒及不同浓度的液体的实验研究，形成对照数据库，在实际应用中将测量结果与数据库中的数据进行比对，确定颗粒的粒径分布及浓度的估计。

滤芯直径测量

滤芯的直径测量时通过回声测距的方法实现的，换能器发射一指向性波束遇到滤芯表面发生声反射，反射声波被同一换能器接收到，并通过放大、滤波、检波等处理后测量回波与发射时刻的时间差τ。换能器表面离开滤芯表面的距离通过如下公式计算：

d=c×τ/2其中：c为液体中的声速。

由于滤芯固定安装，其中心线与换能器表面的距离可以通过设计及实际测量得到，所以测量得到d就可以反推出滤芯的直径，通过换能器阵列得到的所有测量数据反推出滤芯的直径图像。

由于液体中固体颗粒存在干扰现象，在实际测量中需要对回声测距的数据进行统计和积分后取得，并将滤芯生长过程的记录，形成生长曲线，直观显示参考附图2。

一种用于检测流体在线多参数性状结构的方法，是基于多普勒效应的多参数在线测量，在工业流体系统内使多参数同时检测显示，由换能器、量子射频器、接收机、信号处理、显示控制计算机合成的系统测量方案组成，采用换能器阵列内存设计与二组发射机、接收机链接，通过信号处理器将流体参数显示在控制计算机上，换能器反应由二位四通阵列信号排序，通过接收机接收后输入信号处理器，由信号处理器将流体参数通过发射机返回与换能器阵列内存中数据对比，将对比结果由另一组接收机将信号输入信号处理器，二组发射机、接收机之间的信号可智能互换，通过水声纳传递达到在封闭容器内物料的在线成像。

有益效果

在工业流体系统内具有流场动态测量能力，能够测量流场的水平流速分层及垂直流速分层；具有液面测量能力；通过对颗粒散射特性的分析，估计颗粒的粒径及浓度；能够多参数同时检测显示；包括速度、温度、非均相浓度、颗粒性状等，具有对滤芯直径测量的能力，使封闭容器内的物料在线成像显示，方便观察工艺效果。

附图说明

图1为声学多普勒流速测量原理图；

图2为系统测量方案框图。

技术方案

一种用于检测流体在线多参数性状结构的方法，由换能器、量子射频器、接收机、信号处理、显示控制计算机合成的系统测量方案组成，包括以下步骤：采用换能器阵列内存设计，与二组量子射频器、接收机链接，通过信号处理器将流体参数显示在控制计算机上，其特征是：换能器反应以二位四通结构阵列内存信号排序，其中一位通过接收机接收后输入信号处理器，由信号处理器将流体参数通过发射机返回与换能器四通阵列内存中的数据对比，将对比结果由四通转换二位至另一组接收机后将信号输入信号处理器，在工业流体系统内使多参数同时检测显示，二位中内置模块由四道水下通信线路分别连接二组量子射频器、接收机，二组之间的信号可智能互换。

所述的多参数同时检测显示包括速度、温度、非均相浓度、颗粒性状等，二组的量子射频器、接收机、信号处理器串联法链接为一组，每组的量子射频器、接收机各用一根单相金属屏蔽线连接二脚插接件，量子射频器、接收机以串联法插接在换能器阵列内存不同的位置点上，二组的量子射频器、接收机由一引出线分别连接不同功能的信号处理器，一引出线分别连接在控制计算机上，换能器频率选择的依据由：

1）从多普勒频移的计算公式可知多普勒频移与发射频率成正比，发射频率实际上就是换能器的工作频率，频率越高多普勒频移越大，测量精度也越高；

2）对于相同指向性的换能器而言，频率越高，尺寸越小；对于测流及滤芯测距的要求，指向性应取5°为宜；

3）由于流体中存在有固体颗粒，对声波具有强烈的吸收效应，频率越高则吸收越大，系统测量方案如图2所示；

4）对于滤芯测距应用，希望具有mm级的测量精度，频率应选用Mhz级为宜；换能器基元采用独立结构，利用螺纹安装在容器上，换能器基元参数为：中心频率2Mhz，带宽300kHz，-3dB指向性5°，换能器基元直径为40mm，安装容易和拆卸维修方便。

每个换能器基元含有单独的发射和接收电路，并接受显示控制计算机的控制，所有换能器基元可以独立工作，也可以同步工作，可按照系统工作的方式转换，换能器基元完成信号的形成、发射驱动、功率放大及匹配输出，完成回波信号的接收、放大、滤波及信号处理，并将处理结果发送至显示控制计算机。

所述的二位是指内置有二组模块，四通是由四道水下声学通信信道串联组成的导向结构，其两端都有可插接的链接器备用，可按照不同工作要求变换、链接发射换能器和接收换能器。

所述的液面测量在精度要求不高的情况下换能器阵列也具有液面测量的能力，换能器基元按照50mm间距布置，通过换能器声阻抗的测量可以得到液面的初步位置，再通过对靠近液面的换能器基元的回波分析，可进一步提高液面的测量精度。

颗粒的粒径及浓度

液体中的固体颗粒将对声波产生散射，散射强度与固体颗粒的大小、浓度有非常密切的关系，换能器基元的电路设计成具有较大动态范围，可以测量散射强度，通过对不同粒径的固体颗粒及不同浓度的液体的实验研究，形成对照数据库，在实际应用中将测量结果与数据库中的数据进行比对，确定颗粒的粒径分布及浓度的估计。

滤芯直径测量

滤芯的直径测量时通过回声测距的方法实现的，换能器发射一指向性波束遇到滤芯表面发生声反射，反射声波被同一换能器接收到，并通过放大、滤波、检波等处理后测量回波与发射时刻的时间差τ，换能器表面离开滤芯表面的距离通过如下公式计算：

d=c×τ/2其中：c为液体中的声速。

由于滤芯固定安装，其中心线与换能器表面的距离可以通过设计及实际测量得到，所以测量得到d就可以反推出滤芯的直径，通过换能器阵列得到的所有测量数据反推出滤芯的直径图像。

由于液体中固体颗粒存在干扰现象，在实际测量中需要对回声测距的数据进行统计和积分后取得，并将滤芯生长过程的记录，形成生长曲线，多参数同时检测显示，包括速度、温度、非均相浓度、颗粒性状等，直观显示参考附图2系统测量方案框图。

具体实施

一种用于检测流体在线多参数性状结构的方法，由换能器、发射机、接收机、信号处理、显示控制计算机合成的系统测量方案组成，包括以下步骤：采用换能器阵列内存设计与二组发射机、接收机链接，通过信号处理器将流体参数显示在控制计算机上，其特征是：换能器反应以二位四通阵列信号排序，其中一位通过接收机接收后输入信号处理器，由信号处理器将流体参数通过量子射频器返回与换能器四通阵列内存中的数据对比，将对比结果由四通转换二位至另一组接收机后将信号输入信号处理器，二位通过内置模块分别连接的二组量子射频器、接收机，做到多参数同时检测显示，包括速度、温度、非均相浓度、颗粒性状等，二组之间的信号可智能互换。

把二组的量子射频器、接收机、信号处理器分别用串联法链接为一组，将每组的量子射频器、接收机各用一根单相金属屏蔽线连接二脚插接件，量子射频器与接收机用串联法插接在换能器阵列内存条口不同的位置点上，再将二组的量子射频器、接收机分别连接在不同功能的信号处理器上，引出线分别连接在控制计算机上。

当换能器频率=多普勒频移与发射频率成正比时，发射频率实际上就是换能器的工作频率，频率越高多普勒频移越大，测量精度也越高；对于相同指向性的换能器而言，频率越高，尺寸越小；对于测流及滤芯测距的要求，指向性应取5°为宜。

由于流体中存在有固体颗粒，对声波具有强烈的吸收效应，频率越高则吸收越大，系统测量方案如图2所示；对于滤芯测距应用，希望具有mm级的测量精度，频率应选用Mhz级为宜；换能器基元采用独立结构，利用螺纹安装在容器上，换能器基元参数为：中心频率2Mhz，带宽300kHz，-3dB指向性5°，换能器基元直径为40mm，安装容易和拆卸维修方便。

每个换能器基元至少含有一个以上单独的发射和接收电路，并由四通线路接受显示控制计算机的控制（二位四通结构之特点），所有换能器基元可以独立工作，也可以同步工作，可按照系统工作的方式转换，换能器基元完成信号的形成、发射驱动、功率放大及匹配输出，完成回波信号的接收、放大、滤波及信号处理，并将处理结果发送至显示控制的计算机上。

当液面测量在精度要求不高的情况下，换能器阵列也能够具有液面测量的能力，换能器基元按照50mm间距布置，通过换能器声阻抗的测量可以得到液面的初步位置，再通过对靠近液面的换能器基元的回波分析，可进一步提高液面的测量精度，液体中的固体颗粒将对声波产生散射，散射强度与固体颗粒的大小、浓度有非常密切的关系，换能器基元的电路设计成具有较大动态范围，可以测量散射强度，通过对不同粒径的固体颗粒及不同浓度的液体的实验研究，形成对照数据库，在实际应用中将测量结果与数据库中的数据进行比对，确定颗粒的粒径分布及浓度的估计。

滤芯的直径测量时通过回声测距的方法实现的，换能器发射一指向性波束遇到滤芯表面发生声反射，反射声波被同一换能器接收到，并通过放大、滤波、检波等处理后测量回波与发射时刻的时间差τ，换能器表面离开滤芯表面的距离通过如下公式计算：

d=c×τ/2其中：c为液体中的声速。

由于滤芯固定安装，其中心线与换能器表面的距离可以通过设计及实际测量得到，所以测量得到d就可以反推出滤芯的直径，通过换能器阵列得到的所有测量数据反推出滤芯的直径图像。

由于液体中固体颗粒存在干扰现象，在实际测量中需要对回声测距的数据进行统计和积分后取得，并将滤芯生长过程的记录，形成生长曲线，直观显示参考系统测量方案框图。

由于滤芯固定安装，其中心线与换能器表面的距离可以通过设计及实际测量得到，所以测量得到d就可以反推出滤芯的直径，通过换能器阵列得到的所有测量数据可反推出滤芯的直径图像，达到多参数同时检测显示，包括速度、温度、非均相浓度、颗粒性状等。

最后，以上显示和描述了本发明设计的主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明设计不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本设计部分的结构原理，在不脱离本设计的精神和范围的前提下还会有各种变化和改进，以该方法具体实施、装置设计、制造将会另有专利申请，这些变化和改进都应落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界。

Claims (5)

1.一种用于检测流体在线多参数性状结构的方法，是基于多普勒效应的多参数在线测量，在工业流体系统内能够使多参数同时检测显示，方法由换能器、量子射频器、接收机、信号处理、显示控制计算机合成的系统测量方案组成，包括以下步骤：采用换能器阵列内存设计，与二组量子射频器、接收机链接，通过信号处理器将流体参数显示在控制计算机上，其特征是：换能器反应以二位四通结构阵列内存信号排序，其中一位通过接收机接收后输入信号处理器，由信号处理器将流体参数通过发射机返回与换能器四通阵列内存中的数据对比，将对比结果由四通转换二位至另一组接收机后将信号输入信号处理器，在工业流体系统内使多参数同时检测显示，二位中内置模块由四道水下通信线路分别连接二组量子射频器、接收机，二组之间的信号可智能互换。

2.根据权利要求1所述的一种用于检测流体在线多参数性状结构的方法，其特征在于：多参数同时检测显示包括速度、温度、非均相浓度、颗粒性状等，二组的量子射频器、接收机、信号处理器串联法链接为一组，每组的量子射频器、接收机各用一根单相金属屏蔽线连接，量子射频器、接收机串联法插接在换能器上。

3.根据权利要求2所述的一种用于检测流体在线多参数性状结构的方法，其特征在于：二组的量子射频器、接收机分别连接不同功能的信号处理器，分别连接在控制计算机上，换能器频率选择的依据由：

1）从多普勒频移的计算公式可知多普勒频移与发射频率成正比，发射频率实际上就是换能器的工作频率，频率越高多普勒频移越大，测量精度也越高；

2）对于相同指向性的换能器而言，频率越高，尺寸越小；对于测流及滤芯测距的要求，指向性应取5°为宜；

3）由于流体中存在有固体颗粒，对声波具有强烈的吸收效应，频率越高则吸收越大，系统测量方案如图2所示；

4）对于滤芯测距应用，希望具有mm级的测量精度，频率应选用Mhz级为宜；换能器基元采用独立结构，利用螺纹安装在容器上，换能器基元参数为：中心频率2Mhz，带宽300kHz，-3dB指向性5°，换能器基元直径为40mm，安装容易和拆卸维修方便。

4.根据权利要求2所述的一种用于检测流体在线多参数性状结构的方法，其特征在于：每个换能器基元含有单独的发射和接收电路，并接受显示控制计算机的控制，所有换能器基元可以独立工作，也可以同步工作，可按照系统工作的方式转换，换能器基元完成信号的形成、发射驱动、功率放大及匹配输出，完成回波信号的接收、放大、滤波及信号处理，并将处理结果发送至显示控制计算机。

5.根据权利要求4所述的一种用于检测流体在线多参数性状结构的方法，其特征在于：液面测量在精度要求不高的情况下换能器阵列也具有液面测量的能力，换能器基元按照50mm间距布置，通过换能器声阻抗的测量可以得到液面的初步位置，再通过对靠近液面的换能器基元的回波分析，可进一步提高液面的测量精度。